于鵬
(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空間機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新研究室，吉林 長春 130033)
摘要：隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等信息行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越得到人們的重視和應(yīng)用。以某研究院數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究室橫向項(xiàng)目為基礎(chǔ)，闡述了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了一套基于ARM CortexM3的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)選型及開發(fā)平臺進(jìn)行了簡要介紹，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，最后說明綜合調(diào)試的方法和遇到的關(guān)鍵問題及其解決辦法。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ARM Cortex-M3；無線傳輸；高精度
0引言
信息行業(yè)發(fā)展的速度讓人吃驚，在此影響下一些相對傳統(tǒng)的行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的重要性也越來越明顯，它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界的連接橋梁，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相繼問世，數(shù)據(jù)采集進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代［1］。
本文將結(jié)合橫向項(xiàng)目，針對建筑行業(yè)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來幫助獲得應(yīng)變、震動(dòng)等專業(yè)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分析仿真。系統(tǒng)將基于嵌入式技術(shù)，針對不同信號的采集設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種節(jié)點(diǎn)，靈活設(shè)計(jì)傳輸方式，既可以采用以太網(wǎng)，又可以采用無線網(wǎng)，而且還要將各種傳輸方式都接入上位機(jī)所在局域網(wǎng)，使系統(tǒng)更好地適應(yīng)具體的工作環(huán)境。
1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1.1主控模塊
主控模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行都是由這里控制，所以主控芯片的性能直接影響系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。
本系統(tǒng)的主控芯片選用TI公司的LM3S9B96，它采用ARM CortexM3內(nèi)核，主流外設(shè)一應(yīng)俱全，而且集成了以太網(wǎng)控制器。主控芯片及其外圍部分電路見圖1，芯片外接16 MHz的晶振作為其頻率源，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后可達(dá)到200 MHz，以太網(wǎng)控制器單獨(dú)外接一個(gè)25 MHz的晶振，用復(fù)位芯片MAX811為芯片提供穩(wěn)定的復(fù)位電平，將芯片的JTAG口引出用于程序的下載和仿真跟蹤調(diào)試，LDO腳接一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片F(xiàn)AN2558以保證內(nèi)核工作穩(wěn)定，LED1則是一個(gè)雙色LED，用于系統(tǒng)工作時(shí)的狀態(tài)指示［2］。
另外主控模塊還設(shè)計(jì)有串口電平轉(zhuǎn)換電路，方便系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)直連輔助調(diào)試，電路如圖2所示。
1.2電源模塊
電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源保障，它的穩(wěn)定直接關(guān)系到系統(tǒng)各模塊的穩(wěn)定工作，而且各電路模塊所需電壓不盡相同，所以電源模塊的設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜。
首先是電源輸入選擇電路，系統(tǒng)有外接DC 12 V和7.4 V鋰電池兩種供電方式，當(dāng)外接直流電源時(shí)自動(dòng)切換到鋰電池充電狀態(tài)，切換電路如圖3所示，供電方式的切換通過繼電器實(shí)現(xiàn)。圖1主控芯片LM3S9B96及其外圍部分電路
而鋰電池的充電控制用電流源芯片MAX1640實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。
其次是穩(wěn)壓電路，輸入電源經(jīng)過線性穩(wěn)壓得到數(shù)字+5 V，再經(jīng)升壓模塊升至±15 V，而后經(jīng)過LM317和LM337構(gòu)成的組合電路隔離穩(wěn)壓后得到模擬±15 V，用于電壓預(yù)處理電路和電壓型傳感器供電；數(shù)字+5 V通過LT10863.3 V進(jìn)一步穩(wěn)到+3.3 V，用于主控芯片等部分芯片的供電。圖5給出了部分線性穩(wěn)壓電路。
1.3采樣模塊
采樣模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)就是對ICP傳感器、應(yīng)變傳感器等進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理，所以采樣模塊是實(shí)現(xiàn)任務(wù)的第一步，即將微小的傳感器信號放大濾波后送入AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量［3］。
作為采樣模塊的核心，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)和靜態(tài)節(jié)點(diǎn)所選用的AD芯片不同。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)選用AD7716對處理后的信號進(jìn)行采樣，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)選用AD7734，兩款芯片均外接一個(gè)6 MHz晶振為其提供采樣時(shí)鐘，與主控芯片通過SPI進(jìn)行通信，兩且AD7716還外接了一個(gè)LED作為采樣指示燈，其電路如圖6所示。
1.4通信模塊
通信模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的任務(wù)就是對ICP傳感器、應(yīng)變傳感器等進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理，所以采樣是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的第一步，通信是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的第二步，要將AD芯片轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。有線傳輸方式用以太網(wǎng)，主控芯片已經(jīng)集成，只需配置外圍電路即可［4］。無線傳輸方式有兩種，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)采用WiFi無線網(wǎng)，用以色列ConnectOne公司的Nano WiReach WiFi聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)，通過串口與主控芯片相連；靜態(tài)節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無線網(wǎng)，用美國Digi公司的XBeePRO 射頻模塊實(shí)現(xiàn)，同樣通過串口與主控芯片相連。
2系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)
2.1主控程序
主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的宏觀控制，調(diào)用各功能函數(shù)共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的主程序僅有2個(gè)函數(shù)，初始化函數(shù)init()和主函數(shù)main()。初始化函數(shù)init()負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化；主函數(shù)main()是整個(gè)程序的入口函數(shù)，對其他文件和函數(shù)依功能需求進(jìn)行組織和調(diào)用，主程序流程圖如圖7所示。
2.2采樣程序
系統(tǒng)的采樣方式設(shè)計(jì)有三種，即動(dòng)作采樣、定時(shí)采樣和觸發(fā)采樣。動(dòng)作采樣是上位機(jī)發(fā)送采樣命令后，系統(tǒng)開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)；定時(shí)采樣是在某一設(shè)定時(shí)刻開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)；觸發(fā)采樣是一直監(jiān)視某個(gè)采樣值，一旦其大于規(guī)定值時(shí)開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)，并且開始時(shí)刻前一段時(shí)間內(nèi)的采樣值也要保留，以便分析觸發(fā)時(shí)刻前后的變化。雖然有三種采樣方式，但分析后可知，只需編寫兩個(gè)函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)三種采樣方式，即一個(gè)只負(fù)責(zé)采樣一定長度數(shù)據(jù)的普通采樣函數(shù)和一個(gè)監(jiān)視采樣值并進(jìn)行一定緩存的觸發(fā)采樣函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)用和組合，即可實(shí)現(xiàn)這三種采樣方式。
動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的AD7716的采樣采用中斷方式，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后會觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中對其進(jìn)行采樣并將數(shù)據(jù)緩存。對AD7716進(jìn)行初始化后其便開始采樣，就會觸發(fā)中斷，所以在系統(tǒng)不進(jìn)行采樣時(shí)將外部中斷口禁能，在進(jìn)入普通采樣函數(shù)時(shí)將其使能。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的采樣程序和動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)相比，只因AD芯片不同而存在一些差異。
2.3通信程序
通信程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能，發(fā)送函數(shù)可以發(fā)送采樣數(shù)據(jù)、參數(shù)或狀態(tài)結(jié)構(gòu)體，并且可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)選擇發(fā)送方式，其程序流程圖如圖8所示。
這里需要注意的是WiFi模塊需用串口通過AT指令進(jìn)行控制。ZigBee模塊同樣通過串口與主控芯片進(jìn)行通信，采用透明傳輸模式，上電后自動(dòng)進(jìn)入此模式，所以只要事先將模塊配置好，對于主控芯片而言就相當(dāng)于一個(gè)無線串口，收發(fā)數(shù)據(jù)直接操作所用串口即可［5］。
3系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試中經(jīng)常用到虛擬串口，它是RealView MDK的調(diào)試器提供的一個(gè)比較方便的功能［6］，將MDK自帶例程中的Retarget.c添加到系統(tǒng)工程中，然后重寫fputc()函數(shù)，程序如下：
int fputc(int ch, FILE *f)
{
if(DEMCR & TRCENA)
{
while(ITM_Port32(0) == 0);
ITM_Port8(0) = ch;
}
return(ch);
}
這樣，在程序中調(diào)用打印函數(shù)printf()，就可以在Debug(printf) Viewer調(diào)試窗口輸出打印信息。
一臺上位機(jī)同時(shí)控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)采集最多四路ICP傳感器或應(yīng)變傳感器，具有22位高精度，無線數(shù)據(jù)傳輸通過WiFi無線網(wǎng)，速度較快可達(dá)400 kb/s，直接通過局域網(wǎng)連接上位機(jī)，適合大量高速數(shù)據(jù)的近距采集；靜態(tài)節(jié)點(diǎn)可分時(shí)采集八路應(yīng)變傳感器，具有24位高精度，無線傳輸通過ZigBee無線網(wǎng)，距離較遠(yuǎn)可達(dá)1 km，適合小量低速數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距采集。
通過聯(lián)合上位機(jī)調(diào)試，單節(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定工作，完成系統(tǒng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。但由于時(shí)間及水平有限，多節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接上位機(jī)工作時(shí)不穩(wěn)定，有數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；另外采用以太網(wǎng)傳輸方式時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)通過DHCP方式獲得IP地址，不能建立TCP連接；功能方面也還不夠人性化，不夠完善。這些問題都有待進(jìn)一步研究。
4結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ARM CortexM3嵌入式內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了對多路ICP或應(yīng)變傳感器同時(shí)進(jìn)行大量高速近距采集和小量低速遠(yuǎn)距采集，并且具有高精度。靈活設(shè)計(jì)以太網(wǎng)、WiFi和ZigBee無線網(wǎng)多種傳輸方式，使系統(tǒng)能更好地適應(yīng)工作環(huán)境。
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